Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của JC và bị trường gia tốc do JC phân cực ngược cuốn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ IC.
Trang 1Lớp phát E có cường độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc B có nồng độ tạp chất nhỏ nhất Để phân biệt với các loại tranzito khác, tranzito PNP và NPN còn gọi là tranzito lưỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito)
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động
Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN tranzito công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái
mở
Để tranzito làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của tranzito gọi là phân cực cho tranzito
Hình 1.10: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại
Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ Do JE phân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE tạo nên dòng emitơ (IE) Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (IB) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của JC và
bị trường gia tốc (do JC phân cực ngược) cuốn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC) Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng
điện trong tranzito: IE= IB + IC (1-3)
Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta
định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của tranzito
Trang 2α= C
E
I
I (1- 4)
Hệ số α xác định chất lượng của tranzito và có giá trị càng gần một với các tranzito loại tốt
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện IB tới dòng colectơ (IC), người ta định nghĩa về hệ số khuếch đại dòng điện β của tranzito
β= C
B
I
I (1- 5)
β thường có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm
Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số:
IE= IB(1+β) (1- 6)
và α =
1
β β
+ (1- 7)
ưu điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng IB là có thể điều khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng
1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito
Gọi IC là dòng colectơ chịu được điện áp bão hoà VCEsat khi tranzito dẫn dòng bão hoà IB= IBbh và khi khoá IB= 0; VCEsat=VCE
+ Mạch trợ giúp tranzito mở
Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở Mạch trợ giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R2), điôt(D2)
Trang 3
Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở
tf: thời gian cần thiết để IC từ giá trị max giảm xuống 0
Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho nên dòng tải = const
Sơ kiện: VCE = 0
IC = I ID = 0 (1- 8) Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng IC giảm xuống không trong khoảng thời gian tf Nếu không có mạch trợ giúp ta có: I = IC + ID = const (1-9)
Khi giảm IC thì ID Tăng lên ngang D1 sẽ làm ngắn mạch tải năng l−ợng tiêu tán bên trong tranzito sẽ là:
2
f T
U I t
W = (1-10) Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho trazito
I= IC ≈ ID = const
Khi IC bắt đầu giảm thì I1 cũng bắt đầu tăng(IC và I1 phi tuyến với nhau, lúc này tụ điện C đ−ợc nạp điện)
Vc C
t
−
= (1-11)
Trang 4Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE << VCC
Vc
t
d =C (1-12)
Sau thời gian tf tụ C được nạp bằng dòng I, cho đến khi Vc = VCE lúcnày
D1 cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng thái mở là tc
Điện dung được tính gần đúng bằng công thức:
1 CE
F
⇒ It F
C U
= (1- 13) Trong thực tế người ta chọn C trong khoảng 2tf ≤ tF ≤ 5tf
+ Mạch trợ giúp đóng tranzito
Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D3), điện trở (R3) có chức
L
Trang 5năng hạn chế sự tăng vọt của dòng IC trong khoảng thời gian đóng Ton của tranzito
Ton: là thời gian cần thiết để VCE giảm từ điện áp nguồn VCC xuống VCE≈ 0 Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là tf
điện cảm L được tính theo công thức:
L di U L i L I L UR
Δ
Để chọn L ta chọn thời gian đóng tr trong khoảng: 2ton < tr < 5ton
Điện trở R4 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D5; R4 trong khoảng thời gian tc chuyển sang trạng thái mở của tranzito
Như vậy tc phải thoả mãn điều kiện
4
c
i t R
> (1-15) Điện trở R5 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch với khoảng thời gian đóng tf
Ta có D6: Tạo mạch đối với xung áp dương đặt vào cực gốc bazơ
D5: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ)
D4: Dùng để chống bão hoà
1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất
+ Mạch khuếch đại
Hình: 1.13: Tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại
- Trong thực tế tranzito thường được làm việc ở chế độ khoá
- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực ghóp bằng không,
Trang 6tranzito lúc này hở mạch hoàn toàn
- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hoà thì tranzito trở về trạng thái dẫn hoàn toàn
1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito
- Độ khuếch đại dòng điện β
β có trị số thay đổi theo dòng IC Khi dòng IC nhỏ thì β thấp, dòng IC tăng thì β tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hoà thì β giảm
β= C
B
I
I (1-16)
- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua tranzito phải đ−ợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị
số thì tranzito sẽ bị h−
ICmax : là dòng điện tối đa ở cực colectơ
IBmax: là dòng điện tối đa ở cực bazơ
- Điện thế giới hạn
Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ng−ợc tối đa
đặt vào giữa các cặp cực
- Tần số cắt
Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch
đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào
Bảng 1.2 Giới thiệu một số loại tranzito
Trang 7VCE VCE0 VCE,sat IC I tf ton ts Pm M· hiÖu
BUV, (BUX)20
21
22
23
24
BUT 90
91
BUX 47
47A
48
48A
98
98C
ESM 3000
3001
3002
3004
3005
3006
3007
160
250
300
400
450
200
300
850 1000
850
850
850 1200
200
200
250
600
600 1000 1000
125
200
250
325
400
125
200
400
450
400
400
400
700
100
150
200
400
500
600
700
1,2
1,5 1,5
1
1
1,2 1,2
1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
50
40
40
30
20
50
50
9
9
15
15
30
30
150
150
140
120
120
50
50
5
3 2,5 3,2 2,4
7
4
1,2
1
2
2
4
3
15
15
28
13
10
7
6
0,3
0,12 0,5 1,2 1,4
0,4 0,3
0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
0,5 0,5 0,7
1
1 1,5 1,5
1,5
1,8 1,3 1,3 1,6
1,2
1
1
1
1
1
1
1
1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
1,2
1,2
2 2,5
3
1,5 1,5
3
3
3
3
3
3
1,8 1,8
2 3,5 3,5
5
5
250 (50)
50
50
50
50
250
250
125
125
175
175
250
250
400
400
400
400
400
300 300
1.3 Thyristor
1.3.1 CÊu t¹o
Trang 8Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện
được điều khiển bằng chất silicum
Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A dương cực, Catode ký hiệu là K âm cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa
J1, J2, J3 là các mặt ghép
Hình 1.14: Thyristor a- Sơ đồ cấu trúc bên trong
b- Ký hiệu c- Các loại thyristor
1.3.2 Nguyên lý làm việc
Tùy theo cách nối của A và K của thyristor với nguồn điện một chiều
mà thyristor có thể được phân áp ngược hay phân áp thuận
Khi phân áp ngược (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dương nguồn) như hình1.15 thì lớp phân cực J2 phân cực thuận (điện trở rất nhỏ) nhưng các lớp tiếp xúc J1 và J3 lại phân cực ngược (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ K sang A Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chảy qua
và không sáng Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ vài mA Đặc tính V- A khi phân áp ngược là nhánh thuộc góc phần tư thứ III
c
b
a
c
Trang 9Khi điện áp ngược tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (Uct) thì thyristor
bị chọc thủng giống như trường hợp của điôt và kết quả là dòng điện ngược tăng lên rất nhanh và mạnh
Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dương nguồn, catôt nối với cực âm nguồn) như hình 1.15 thì các lớp J1 và J3 được phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nhưng lớp J2 lại bị phân cực ngược, có điện trỏ rất lớn Do vậy, trường hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J2 (thuộc góc phần tư thứ I)
Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngược và thuận của một thyristor
Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận, còn thyristor có phân áp thuận cũng chưa dẫn điện Muốn cho thyristor thông khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện Điều kiện gì? Đó là phải cấp một xung áp dương vào cực điều khiển G khi thyristor được phân áp thuận Xung dương điều khiển có thể được tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở Hình 1.16
Trang 10Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor Khi đó, lớp tiếp xúc J3 được phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn Eg nên dòng điện qua lớp J3 tăng mạnh Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N2 chuyển dịch sang P2 với động năng lớn Một phần về cực G hình thành dòng
điều khiển Ig, phần khác lớn hơn, vượt qua lớp J2 vào N1 rồi qua P1 về nguồn tạo ra dòng Ia Khi các điện tử lớp J2 với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên
tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác Số điện tử mới lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung hòa khác cứ như thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số các phần tử dẫn điện tăng vọt, điện trở trong cùng điện trường rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt Điểm làm việc chuyển từ T1 sang T2 rồi T hình 1.17 Thyristor ở trạng thái thông
Trị số dòng điện Ia phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình: 1.16 dòng Ia phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn)
Khi thyristor thông điện trở trong R13 của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp ΔU13 không đáng kể (không quá 1V)
Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông Nguyên do vì dòng Ia qua lớp J2 sẽ tiếp tục làm điện trở lớp J2 giảm thấp và duy trì sự dẫn điện Qua lớp này từ N1 sang P2
Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor
mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT1 trở thành OT’1, OT”1 Thì cần phải tăng dòng điều khiển lớn hơn I”đk1 > I’đk1> Iđk1 Khi dòng điều khiển tăng tới
